CN102612640B - 用于估定地下地层中温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于估定地下地层中开口内的温度的方法。该方法可包括：沿着位于开口中的绝缘导体的长度估定一个或多个介电特性，以及基于所估定的一个或多个介电特性而沿着绝缘导体长度估定一个或多个温度。

Description

用于估定地下地层中温度的方法

技术领域

本发明总体涉及用于从各种地下地层（诸如含烃地层）生产出烃、氢和/或其他产品的方法和系统。

背景技术

从地下地层中获得的烃通常用作能量源、用作原料以及用作消费品。对可用烃资源衰竭的关注以及对产出烃的总体质量下降的关注导致开发出用于更有效回收、处理和/或使用可用烃资源的方法。就地处理可用于从地下地层移出烃材料，这在以前难以实现和/或使用可用的方法费用太高而无法提取。可需要改变地下地层中烃材料的化学和/或物理性能，以使得烃材料更容易地从地下地层中移出，和/或提高烃材料的价值。该化学和物理变化可包括地层中烃材料的生产可移出流体的就地反应、成分变化、溶解度变化、密度变化、相变和/或粘度变化。

在北美洲、南美洲、非洲和亚洲发现容纳在相对可渗透地层中（例如沥青砂中）的重质烃（重油和/或焦油）的大矿床。焦油可在地面开采并且被改质成较轻烃（诸如原油、石脑油、煤油和/或柴油）。表面开采过程还可从砂中分离出沥青。分离出的沥青可使用传统炼油方法而转变成轻质烃。开采和提炼沥青砂通常比从常规石油油层中生产出较轻烃明显更昂贵。典型的温度测量方法对于估定位于地下地层中的、用于在就地热处理过程中进行加热的加热器的温度分布图来说可能难以实施和/或实施起来费用高。该要求是对于温度分布图的，该温度分布图包括沿着地下地层中加热器长度或一部分加热器的多个温度。热电偶是一种可能的方案；然而，热电偶仅仅在一个位置提供一个温度，而且每个热电偶通常需要两根电线。一个或多个热电偶（或它们的相关电线）的失效风险随着在地下井眼中使用多根电线而增大。因而，为了获得沿着加热器长度的温度分布图，需要很多电线。

发明内容

在此所描述的实施例总体涉及用于处理地下地层的系统、方法和加热器。在此所描述的实施例还总体涉及在其中具有新颖部件的加热器。这样的加热器可通过使用在此所描述的系统和方法而获得。

在某些实施例中，本发明提供了一个或多个系统、方法和/或加热器。在一些实施例中，所述系统、方法和/或加热器可用于处理地下地层。

在一些实施例中，用于估定地下地层中开口内的温度的方法包括：沿着位于开口中的绝缘导体的长度估定一个或多个介电特性；以及基于所估定的一个或多个介电特性而沿着绝缘导体的所述长度估定一个或多个温度。估定一个或多个温度包括将介电特性的温度相关性数据与所估定的介电特性进行比较。介电特性中的至少一个包括介电常数和/或损耗角正切。所估定的一个或多个温度处于大约400℃以上或者处于大约400℃与大约900℃之间的范围内。在某些实施例中，所估定的一个或多个温度被分布在沿着绝缘导体长度的不同位置处。在一些实施例中，所估定的绝缘导体的长度至多包括绝缘导体的上半部。绝缘导体包括芯、围绕芯的绝缘材料以及围绕绝缘材料的外护套。在一些实施例中，绝缘导体包括具有沿着绝缘导体长度而改变的性质的绝缘材料。

在一些实施例中，该方法还包括：将电力提供给绝缘导体的至少一部分，并且从绝缘导体的该部分将至少一些热量提供给地下地层。

在一些实施例中，该方法还包括：将电力提供给位于开口中的至少一个附加的绝缘导体，并且从所述附加的绝缘导体将至少一些热量提供给地下地层。

在一些实施例中，该方法还包括：使用计算系统估定一个或多个温度，该计算系统构造为存储介电特性的温度相关性数据。

在另外的实施例中，特定实施例的特征可与其他实施例的特征相结合。例如，一个实施例的特征可与任一个其他实施例中的特征相结合。

在另外的实施例中，使用在此所描述的任何方法、系统或者加热器来实现对地下地层的处理。

在另外的实施例中，附加的特征可被添加到在此所描述的特定实施例中。

附图说明

根据下面详细描述的益处以及参照附图，本发明的优点对本领域技术人员来说可变得显而易见，附图中：

图1示出了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的一个实施例的示意图。

图2图示了一种绝缘导体热源的一个实施例。

图3图示了绝缘导体热源的另一个实施例。

图4图示了绝缘导体热源的再一个实施例。

图5A和5B图示了用于绝缘导体加热器中的限温加热器的一个实施例的剖视图。

图6图示了位于导管中的三个绝缘导体的俯视图。

图7图示了与多个加热器联接的三相星型变压器的一个实施例。

图8图示了位于导管中的三个绝缘导体的末端部的一个实施例的侧视图。

图9图示了具有位于导管中的三个绝缘芯的加热器的一个实施例。

图10图示了具有位于导管中的三个绝缘导体和一个绝缘返回导体的加热器的一个实施例。

图11图示了在绝缘导体加热器的一个实施例中氧化镁绝缘体的介电常数与温度的关系图的一个实例。

图12图示了在绝缘导体加热器的一个实施例中氧化镁绝缘体的损耗角正切（tanδ）与温度的关系图的一个实例。

图13图示了在绝缘导体加热器的一个实施例中、在所施加的不同电压下氧化镁绝缘体的漏泄电流（mA）与温度（℉）的关系图的一个实例。

虽然本发明易于具有各种变型和可替代形式，但本发明的特定实施例通过举例在附图中示出而且在此可进行详细描述。这些附图可能未按照比例绘制。但是，应理解的是，这些附图以及其详细描述并不用于将本发明限制为所公开的特定形式，而是相反地，其目的在于覆盖在落入由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等效方案和可替代方案。

具体实施方式

下列描述通常涉及用于处理地层中烃的系统和方法。可处理这些地层，以生产出烃产品、氢和其他产品。

“交流电（AC）”指的是基本上按照正弦曲线反转方向的时变电流。交流电产生了铁磁性导体中的集肤效应电流。

“环形区域”是外部导管与位于外部导管中的内部导管之间的区域。

“API比重”指的是15.5℃（60℉）时的API比重。API比重是由ASTM Method D6822或ASTM Method D1298所确定的。

“ASTM”指的是美国标准测试和材料。

在降低的热输出加热系统、设备以及方法的内容中，术语“自动”指的是这些系统、设备和方法在没有使用外部控制装置（例如，外部控制器，例如具有温度传感器和反馈回路的控制器、PID控制器或者预测控制器）的情况下以某种方式运行。

“柏油/沥青”指的是半固态的粘性材料，其可溶于二硫化碳中。柏油/沥青可从精炼操作中获取或者从地下地层中生产出。

“可冷凝的烃”是在25℃、在一个大气压的绝对压力下冷凝的烃。可冷凝的烃可包括具有碳数大于4的烃的混合物。“不可冷凝的烃”是在25℃、在一个大气压的绝对压力下不能冷凝（condense）的烃。不可冷凝的烃可包括具有碳数少于5的烃。

“联接”指的是一个或多个对象或元件之间的直接连接或者间接连接（例如一个或多个夹在中间的连接件）。术语“直接连接”指的是对象或元件之间直接连接，以使得对象或元件直接彼此连接，从而对象或元件以“使用点（point of use）”的方式操作。

“居里温度”是指在该温度以上铁磁性材料失去其全部铁磁性能的温度。除了在居里温度以上失去其全部铁磁性能外，铁磁性材料还在增大的电流经过铁磁性材料时开始失去其铁磁性能。

“二合一”指的是联接到一起的一组两个部件（例如加热器、井眼或其他对象）。

“流体”可以是但并不限制为：气体、液体、乳化剂、泥浆和/或具有类似于液体流的流动特性的固体颗粒流。

“地层”包括一个或多个含烃层、一个或多个非烃层、上覆岩层和/或下伏岩层。“烃层”指地层中的含烃层。这些烃层可含有非烃材料和烃材料。“上覆岩层”和/或“下伏岩层”包括一种或多种不同类型的不可渗透材料。例如，上覆岩层和/或下伏岩层可包括岩石、页岩、泥岩或润湿/致密的碳酸盐。在一些就地热处理过程的实施例中，上覆岩层和/或下伏岩层可包括一层或多层含烃层，其在就地热处理的处理过程中是相对不可渗透的并且不受温度影响，所述就地热处理过程导致上覆岩层和/或下伏岩层的含烃层的性能发生显著变化。例如，下伏岩层可含有页岩或泥岩，但是下伏岩层在就地热处理过程期间不允许被加热到热解温度。在一些情形中，上覆岩层和/或下伏岩层可以是稍微可渗透的。

“地层流体”是指存在于地层中的流体，并且可包括热解流体、合成气、流动的烃和水（蒸汽）。地层流体可包括烃流体和非烃流体。术语“流动的流体”是指含烃地层中由于地层的热处理而能够流动的流体。“产出流体”是指从地层移出的流体。

“热源”是用于基本上通过传导和/或辐射热传递向地层的至少一部分提供热的任何系统。例如，热源可包括导电材料和/或电加热器，比如绝缘导体、细长部件和/或布置在导管中的导体。热源还可包括通过燃烧地层外部或地层中的燃料来产生热的系统。该系统可以是地表燃烧器、井下气体燃烧器、无焰分布式燃烧器和自然分布式燃烧器。在一些实施例中，一个或多个热源所提供或产生的热可由其它能源提供。该其它能源可直接加热地层，或者该能量可施加到直接或间接加热地层的传递介质。应该理解的是，将热施加到地层的一个或多个热源可使用不同的能量源。因而，例如，对于给定地层，一些热源可由导电材料或电阻加热器提供热。一些热源可通过燃烧提供热，一些热源可由一个或多个其它能源（例如，化学反应、太阳能、风能、生物质或其它可再生能源）提供热。化学反应可包括放热反应（例如氧化反应）。热源还可包括导电材料和/或向加热位置（比如加热器井）附近或周围的区域提供热的加热器。

“加热器”是用于在井中或井眼附近的区域产生热的任何系统或热源。加热器可以是，但不限于，电加热器、燃烧炉、与地层中的材料或从地层产出的材料发生反应的燃烧器、和/或它们的组合。

“重质烃”是粘性的烃流体。重质烃可包括非常粘的烃流体，诸如重油、焦油和/或沥青。重质烃可包括碳或氢，以及较低浓度的硫、氧以及氮。附加元素也可以微量存在于重质烃中。重质烃是以API比重分类的。重质烃通常具有低于大约20°的API比重。重油，例如通常具有大约10°到20°的API比重，而焦油通常具有低于大约10°的API比重。重质烃的粘性通常在15℃时大于约100厘泊。重质烃可包括芳烃或其他的络合的环烃。

重质烃还在相对可渗透的地层中被发现。相对可渗透的地层可包括例如夹带在砂或碳酸盐中的重质烃。“相对可渗透”被定义为相对于地层或地层各部分具有10毫达西或更大（例如10或100毫达西）的平均渗透性。“相对低渗透性”被定义为相对于地层或地层各部分具有少于大约10毫达西的平均渗透性。一个达西等于大约0.99平方微米。不可渗透层通常具有少于大约0.1毫达西的渗透性。

包括重质烃的某些种类的地层还可包括但并不限于：天然矿物腊或天然沥青岩。“天然矿物蜡”典型地主要存在于管状矿脉（veins）中，该管状矿脉可以是几米宽，几千米长以及几百米深。“天然沥青岩”包括芳族合成物的固体烃，并且典型地存在于大矿脉中。从诸如天然矿物蜡和天然沥青岩中的烃就地回收可包括熔化以形成液烃，和/或从地层溶浸式开采烃。

“烃”通常被定义为主要由碳原子和氢原子形成的分子。烃还可包括其它元素，例如但不限于：卤素、金属元素、氮、氧、和/或硫。烃可以是但不限于：油母、沥青、焦沥青、油类、天然矿物蜡和沥青岩。烃可位于大地中的矿物基体中或与矿物基体相邻。基体可包括但不限于：沉积岩、砂、沉积石英岩、碳酸盐、硅藻土和其它多孔介质。“烃流体”是包含烃的流体。烃流体可包含非烃流体、夹带非烃流体或被夹带在非烃流体中，所述非烃流体比如为氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水和氨。

“就地转化过程”是指通过热源加热含烃地层以将地层的至少一部分的温度升高到热解温度以上以使得在地层中产生出热解流体的过程。

“就地热处理过程”是指使用热源加热含烃地层以将地层的至少一部分的温度升高到导致含烃材料发生流体流动、降粘和/或热解的温度以上以使得在地层中产生流动的流体、降粘的流体和/或热解的流体的过程。

“绝缘导体”是指任何能够导电的并且全部或部分由电绝缘材料覆盖的细长物体。

“油母质”是一种固态不可溶的烃，其通过天然降解而被转化，并且主要包括碳、氢、氮、氧和硫。煤和油页岩是包含油母质材料的典型例子。“沥青”是一种非结晶固体或者粘性烃材料，其基本上可溶于二硫化碳。“油”是一种包含可冷凝烃混合物的流体。

“调制直流电流（DC）”指的是任何基本上非正弦曲线时变的电流，其在铁磁性导体中产生了集肤效应电流。

铁磁性材料的“相变温度”指的是在其间材料经历相变（例如从碳酸盐到奥氏体）的温度或温度范围，这种相变降低了铁磁性材料的磁导率。磁导率的降低类似于由于在居里温度下铁磁性材料的磁性转变而导致的磁导率的降低。

“热解”是由于施加热而导致化学键的破坏。例如，热解可包括仅仅通过热量将化合物转变成一种或多种其他物质。热量可被传送到地层的一部分，以导致热解。

“热解流体”或“热解产物”是指主要在烃的热解期间产生的流体。通过热解反应产生的流体可与地层中的其它流体混合。混合物将被认为是热解流体或热解产物。如在此所使用的，“热解区”是指被反应或进行反应以形成热解流体的地层体（例如，相对不可渗透的地层，比如沥青砂地层）。

“下沉”是地层的一部分相对于地面的初始海拔向下运动。

“热的叠加”是指从两个或更多个热源向地层的选定部段提供热，以使得在热源之间的至少一个位置处的地层温度受热源影响。

“焦油”是粘性的烃，其通常在15℃时具有大于大约10000厘泊的粘性。焦油的比重通常是大于1.000。焦油可具有少于10°的API比重。

“焦油砂地层”是一种地层，在该地层中，烃主要以夹带在矿物颗粒架或其他主岩岩体（例如，砂或碳酸盐）中的重质烃和/或焦油形式存在。焦油砂矿地层的实施例包括例如Athabasca（阿尔伯塔）地层、Grosmont（格罗斯芒特）地层以及Peace River（皮斯河）地层，上面三个地层全部存在于加拿大的艾伯塔；以及Faja地层，其存在于委内瑞拉的Orinoco（奥利诺克）地带。

“限温加热器”通常是指加热器将热输出调节（例如，减少热输出）到规定温度以上而无需使用外部控制装置的加热器，所述外部控制装置比如为温度控制器、功率调节器、整流器或其它装置。限温加热器可以是AC（交流电）或调制（例如“斩波”）、DC（直流电）供电的电阻加热器。

“导热流体”包括在标准温度和压力（STP）（0℃和101.325kPa）下具有比空气高的导热率的流体。

“导热率”是材料的一种性能，其描述了对于材料的两个表面之间的给定温度差，热以稳定状态在材料的两个表面之间流动的速率。

“热断裂”指的是通过地层和/或地层中的流体的膨胀或收缩而导致在地层中产生的断裂，这又通过地层的温度和/或地层中流体的温度增/减而导致，和/或通过地层中的流体压力由于加热而增/减而导致。

层的“厚度”是指层横截面的厚度，其中横截面垂直于层的表面。

“时变电流”是指在铁磁性导体中产生集肤效应电流并且幅度随时间变化的电流。时变电流既包括交流电流（AC）又包括调制直流电流（DC）。

“三合一”指的是相互联接到一起的一组三个物品（例如，加热器、井眼或其他对象）。

限温加热器的“调节比”是对于给定电流，居里温度以下的最大AC或调制DC电阻与居里温度以上的最小电阻的比值。对于感应加热器而言的调节比是对于施加到加热器的给定电流，居里温度以下的最高热输出与居里温度以上的最低热输出的比值。

“u形井眼”是指从地层中的第一开口延伸穿过地层的至少一部分并且从地层中的第二开口穿出的井眼。在本文中，井眼可以仅仅大体上呈“v”形或“u”形，对于视为“u”形的井眼，“u”形的“腿”应该理解成不需要彼此平行或垂直于“u”的“底部”。

“改质”是指提高烃的质量。例如，改质重质烃可导致提高重质烃的API重力指标。

“降粘裂化”指的是在热处理期间解开流体中的分子和/或在热处理期间将大分子破坏成较小分子，这导致了流体粘度的降低。

“粘度”除非另作说明指的是在40℃下的运动粘度。粘度是由ASTM Method D445确定的。

术语“井眼”是指通过钻井或将管道插入地层中而在地层中形成的孔。井眼可具有基本上圆形的横截面或其它横截面形状。如在此所使用的，术语“井”和“开口”在指地层中的开口时可与术语“井眼”互换使用。

地层可通过各种方式进行处理以生产出很多不同产物。不同的阶段或过程可用于在就地热处理过程期间处理地层。在一些实施例中，地层的一个或多个部段进行溶浸法开采，以便从这些部段中移出可溶性矿物。溶浸法开采可在就地热处理过程之前、期间和/或之后进行。在一些实施例中，进行溶浸法开采的一个或多个部段的平均温度可保持在大约120℃以下。

在一些实施例中，地层的一个或多个部段被加热以便从这些部段移出水和/或从这些部段移出甲烷和其他挥发性烃。在一些实施例中，平均温度可在移出水和挥发性烃期间从周围温度升高到低于大约220℃的温度。

在一些实施例中，地层的一个或多个部段被加热到使得地层中的烃流动和/或减粘裂化的温度。在一些实施例中，地层的一个或多个部段的平均温度被升高到烃在这些部段中的流动温度（例如，升高到从100℃到250℃的温度范围内，从120℃到240℃的温度范围内，或者从150℃到230℃的温度范围内）。

在一些实施例中，一个或多个部段被加热到使得在地层中发生热解反应的温度。在一些实施例中，地层的一个或多个部段的平均温度可被升高到烃在这些部段中的热解温度（例如，从230℃到900℃的温度范围内，从240℃到400℃的温度范围内，或者从250℃到350℃的温度范围内）。

利用多个热源加热含烃地层可在热源周围形成热梯度，该热源以期望的加热速率将地层中烃的温度升高到期望温度。对于期望产物，在整个流动温度范围和/或热解温度范围内的增温率可影响从含烃地层中生产出的地层流体的品质和数量。使地层的温度缓慢地升高经过流动温度范围和/或热解温度范围可使得从地层中生产出高品质和高API比重的烃。使地层的温度缓慢地升高经过流动温度范围和/或热解温度范围可使得将存在于地层中的大量烃作为烃产物移出。

在一些就地热处理的实施例中，地层的一部分被加热到期望温度，而不是缓慢地加热使温度经过一温度范围。在一些实施例中，期望的温度是300℃、325℃或350℃。其他的温度可被选择作为期望的温度。

来自热源的热量的叠加使得在地层中相对快速且有效地形成期望的温度。可调整从热源输入到地层中的能量输入以将地层中的温度基本上维持在期望的温度。

可通过生产井从地层生产出流动产物和/或热解产物。在一些实施例中，一个或多个部段的平均温度被升高到流动温度，从生产井生产出烃。一个或多个部段中的平均温度由于流动性在选定值以下降低而在该生产之后被升高到热解温度。在一些实施例中，一个或多个部段的平均温度可在达到热解温度之前在没有大量生产量的情况下被升高到热解温度。可通过生产井生产出包括热解产物的地层流体。

在一些实施例中，一个或多个部段的平均温度可在流动和/或热解之后被升高到足以允许生产合成气的温度。在一些实施例中，烃可在抵达足以允许生产合成气的温度之前在没有大量生产量的情况下被升高到足以允许生产合成气的温度。例如，可在从大约400℃到大约1200℃、从大约500℃到大约1100℃或者从大约550℃到大约1000℃的温度范围内生产出合成气。产生流体的合成气（例如蒸汽和/或水）可被引入到用于产生合成气的部段中。可从生产井生产出合成气。

可在就地热处理过程期间进行溶浸法开采、将挥发性烃和水移出、使烃流动、热解烃、产生合成气和/或其他过程。在一些实施例中，一些过程可在就地热处理过程之后执行。这些过程可包括但并不限于：从所处理的部段回收热量、将流体（例如，水和/或烃）存储在之前已处理的部段中，和/或将二氧化碳隔绝在之前已处理的部段中。

图1图示了用于处理含烃地层的就地热处理系统的一部分的一个实施例的示意图。就地热处理系统可包括障壁井100。障壁井可用于形成围绕处理区域的障壁。障壁限制流体流入处理区域中和/或流出处理区域。障壁井包括但并不限于：脱水井、真空井、捕获井、注入井、灌浆井、冷冻井以及它们的组合。在一些实施例中，障壁井100是脱水井。脱水井可移出液态水和/或抑制液态水进入要被加热的地层的一部分中，或者抑制液态水进入正被加热的地层中。如所示出的，障壁井100仅仅沿着热源102的一侧延伸，但是障壁井典型地环绕用于或将要用于加热地层的处理区域的所有热源102。

热源102布置在地层的至少一部分中。热源102可包括加热器，诸如绝缘导体、管中管式加热器、表面燃烧器、无焰分布式燃烧器和/或自然分布式燃烧器。热源102还可包括其他类型的加热器。热源102将热量提供到地层的至少一部分，以加热地层中的烃。能量可通过供给线路104供给到热源102。供给线路104在结构上可以不同，这取决于用于加热地层的一种或多种热源的种类。用于热源的供给线路104可以为电加热器输送电；可以为燃烧器输送燃料；或者可以输送在地层中循环的热交换流体。在一些实施例中，用于就地热处理过程的电可由一个或多个核电站提供。核动力的使用可使得降低或消除由就地热处理过程产生的二氧化碳排放。

当地层被加热时，输入到地层中的热输入可导致地层膨胀和地质力学运动。热源可在脱水过程之前、同时或期间被开启。计算机模拟可响应于加热而模拟地层。计算机模拟可用于形成用于激活地层中热源的模式和时序，以使得地层的地质力学运动并不对地层中的热源、生产井和其他设备的功能性产生不利影响。

加热地层可使得地层的渗透性和/或多孔性增大。渗透性和/或多孔性的增大可由在地层中由于水的汽化和移出、烃的移出和/或断裂的产生所导致的矿体减小而引起。流体可由于地层的渗透性和/或多孔性增大而在地层的被加热部分中更加容易流动。地层的被加热部分中的流体由于渗透性和/或多孔性的增大可运动通过地层一段很长距离。该很长距离可依据各种因素而超过1000m，该各种因素诸如是地层的渗透性、流体的性质、地层的温度以及使得流体运动的压力梯度。流体在地层内行进很长距离的能力允许生产井106在地层中相对远地间隔开。

生产井106用于从地层移出地层流体。在一些实施例中，生产井106包括热源。生产井中的热源可加热生产井处或附近的地层的一个或多个部分。在一些就地热处理过程的实施例中，每米生产井从生产井供给到地层的热量值少于从加热地层的每米热源施加到该地层的热量值。从生产井施加到地层的热量可通过汽化和移出生产井附近的液相流体而增大生产井附近的地层渗透性，和/或通过形成大和/或小的断裂而增大生产井附近的地层渗透性。

一个以上热源可布置在生产井中。生产井下部部分中的热源可在来自相邻热源的热叠加对地层的加热足以抵消由利用生产井加热地层所提供的益处时关闭。在一些实施例中，生产井的上部部分中的热源可在生产井的下部部分中的热源被禁用之后保持打开。井的上部部分中的热源可抑制地层流体的冷凝和回流。

在一些实施例中，生产井106中的热源允许地层流体以气相形式从地层中移出。在生产井处提供加热或者通过生产井提供加热可以：（1）在这种生产流体在上覆岩层附近的生产井中运动时抑制生产流体的冷凝和/或回流，（2）增加输入到地层中的热输入，（3）与没有热源的生产井相比，提高生产井的生产率，（4）抑制生产井中高碳数化合物（C6烃及以上）的冷凝，和/或（5）增大生产井处或生产井附近的地层渗透性。

地层中的地下压力可对应于地层中所产生的流体压力。随着地层的被加热部分的温度升高，被加热部分中的压力可由于就地流体的膨胀、流体产生的增加和水的汽化而增大。控制从地层中移出流体的速率可用于控制地层中的压力。可在很多不同位置处确定地层中的压力，例如在生产井处或生产井附近、在热源处或热源附近，以及在监测井处或监测井附近。

在一些含烃地层中，从地层中生产出烃的生产可被抑制，直到地层中的至少一些烃流动和/或热解。当地层具有选定的品质时，可从地层中生产出地层流体。在一些实施例中，选定的品质包括至少大约20°、30°或40°的API比重。抑制生产直到至少一些烃流动和/或热解可增加重质烃向轻质烃的转化。抑制初期生产可减小从地层生产出的重质烃。重质烃的大量生产可能需要昂贵的设备和/或降低生产设备的寿命。

在一些含烃地层中，在地层的被加热部分中已经产生很大渗透性之前，地层中的烃可被加热到流动温度和/或热解温度。最初缺乏渗透性可抑制所生产出的流体向生产井106输送。在最初加热期间，在热源102附近，地层中的流体压力可增大。增大的流体压力可通过一个或多个热源102而被释放、监测、改变和/或控制。例如，选定的热源102或单独的减压井可包括允许从地层移出一些流体的减压阀。

在一些实施例中，可允许由在地层中产生的流动流体、热解流体或的其他流体膨胀所产生的压力增大，尽管在地层中可能尚不存在生产井106的开放路径或其他压力差。可使得流体压力朝着静岩压力增大。含烃地层中的断裂可在流体接近静岩压力时形成。例如，断裂可从热源102向地层的被加热部分中的生产井106形成。在被加热部分中产生的断裂可释放该部分中的一些压力。地层中的压力可能不得不保持在选定压力以下，以便抑制不想要的生产、上覆岩层或下伏岩层的断裂、和/或地层中烃的焦化。

在达到流动温度和/或热解温度并且允许从地层中进行生产之后，地层中的压力可被改变，以改变和/或控制所生产出的地层流体的成分，控制可冷凝流体与地层流体的不可冷凝流体相比的百分比，和/或控制正生产的地层流体的API重力。例如，降低压力可导致生产出较大的可冷凝流体组分。可冷凝的流体组分可包括较大百分比的石蜡。

在一些就地热处理过程的实施例中，地层中的压力可保持足够高，以促使生产出具有大于20°的API比重的地层流体。在地层中保持增大的压力可在就地热处理期间抑制地层下沉。保持增大的压力可减少或消除对于在地面上压缩地层流体以使收集管道中的流体运输到处理设备的需要。

在地层的被加热部分中保持增大的压力，可令人惊讶地允许生产出具有提高品质和相对低分子量的大量烃。压力可被保持成使得所生产的地层流体具有最小量的选定碳数以上的化合物。选定的碳数可以是至多25、至多20、至多12或者至多8。一些高碳数的化合物可被夹带在地层中的蒸汽中，并且可随着蒸汽从地层移出。地层中保持增大的压力可抑制在蒸汽中夹带高碳数化合物和/或多环烃化合物。高碳数化合物和/或多环烃化合物可在地层中保持液相相当长的时间。相当长的时间可提供用于热解化合物的足够时间，以便形成低碳数化合物。

相对低分子量烃的产生被认为是部分地由于含烃地层的一部分中氢的自体产生与反应。例如，保持增大的压力可迫使在热解期间所产生的氢在地层内成为液相。将该部分加热到热解温度范围内的温度可热解地层中的烃，以产生液相热解流体。所产生的液相热解流体组分可包括双键和/或基团（radicals）。液相的氢（H₂）可减小所产生的热解流体的双键，从而降低由所产生的热解流体聚合或形成长链化合物的可能性。此外，H₂还可中和所产生的热解流体中的基团。液相的H₂可抑制所生产的热解流体彼此发生反应和/或与地层中其他化合物发生反应。

由生产井106生产出的地层流体可通过收集管道108而运输到处理设备110。地层流体还可从热源102生产出。例如，流体可从热源102生产出，以控制邻近热源的地层中的压力。从热源102生产出的流体可通过管子或管道运输到收集管道108，或者所生产出的流体可通过管或管道直接运输到处理设备110。处理设备110可包括分离单元、反应单元、改质单元、燃料电池、涡轮、存储容器和/或用于处理所生产出的地层流体的其他系统和单元。处理设备可由从地层中生产出的烃中的至少一部分形成运输燃料。在一些实施例中，运输燃料可以是喷气燃料，诸如JP-8。

限温加热器可具有多种构型和/或可包括在一些温度下为加热器提供自动温度限制性能的材料。限温加热器的实例可以在下述文献中找到：Wellington等的美国专利US 6,688,387；在Sumnu-Dindoruk等的US 6,991,036；Karanikas等的US6,698,515；Wellington等的US6,880,633；de Rouffignac等的US 6,782,947；Vinegar等的US6,991,045；Vinegar等的US 7,073,578；Vinegar等的US 7,121,342；Fairbanks的US 7,320,364；McKinzie等的US 7,527,094；Mo等的US 7,584,789；Hinson等的US 7,533,719；以及Miller的US 7,562,707；Vinegar等的美国专利申请公开US 2009-0071652；Burns等的US2009-0189617；Prince-Wright等的US 2010-0071903；以及Nguyen等的US 2010-0096137。限温加热器的尺寸设定为以交流频率（例如60Hz AC）操作或者以调制直流电流操作。

在某些实施例中，铁磁性材料用于限温加热器中。铁磁性材料可将温度自动限制在材料的居里温度和/或相变温度范围处或附近，以便在时变电流施加到材料时提供减少量的热量。在某些实施例中，铁磁性材料将限温加热器的温度自动限制在选定温度下，该选定温度大约是居里温度和/或处于相变温度范围内。在某些实施例中，选定温度处于居里温度和/或相变温度范围内的大约35℃内、大约25℃内、大约20℃内或者大约10℃内。在某些实施例中，铁磁性材料与其他材料（例如，高传导性材料、高强度材料、耐腐蚀材料或它们的组合）相联接，以提供各种电性能和/或机械性能。限温加热器的一些部分可具有比限温加热器的其他部分更低的电阻（通过不同的几何形状所导致的，和/或通过使用不同的铁磁性材料和/或非铁磁性材料所导致的）。使限温加热器的各部分具有不同材料和/或尺寸使得适应于从加热器的各部分输出期望的热输出。

限温加热器可以比其他加热器更可靠。由于地层中的热点，限温加热器可能不太易于损坏或失效。在一些实施例中，限温加热器允许大致均匀地加热地层。在一些实施例中，限温加热器能够通过在沿着加热器的整个长度以较高的平均热输出操作而更加有效地加热地层。限温加热器沿着加热器的整个长度以较高的平均热输出操作是因为：如对于具有典型恒定瓦数的加热器的情况，如果沿着加热器任一点的温度超过或者即将超过加热器的最高工作温度，则对于整个加热器来说，不是必须降低加热器的功率。从接近加热器的居里温度和/或相变温度范围的限温加热器的各部分输出的热输出自动减小而不需要受控地调整施加到加热器的时变电流。由于在限温加热器的一些部分的电气性能（例如电阻）的改变，该热输出自动减小。因而，限温加热器在较大部分的加热过程期间提供了较多能量。

在某些实施例中，当限温加热器由时变电流供给动力时，在加热器的电阻部分的居里温度和/或相变温度范围处、附近或以上，包括限温加热器的系统首先提供了第一热输出，然后提供减小的（第二热输出）热输出。第一热输出是在低于限温加热器开始自我限制的温度的温度时的热输出。在一些实施例中，第一热输出是在限温加热器中的铁磁性材料的居里温度和/或相变温度范围以下大约50℃、大约75℃、大约100℃或者大约125℃的温度下的热输出。

限温加热器可通过在井口处提供的时变电流（交流电流或调制直流电流）而供给动力的。井口可包括用于将动力施加给限温加热器的动力源和其他元件（例如，调制元件、变压器和/或电容器）。限温加热器可以是用于加热地层的一部分的多个加热器中的一个。

在某些实施例中，限温加热器包括导体，该导体在时变电流施加给导体时作为集肤效应或邻近效应加热器进行操作。集肤效应限制渗入到导体内部中的电流透入深度。对于铁磁性材料而言，导体的磁导率决定集肤效应。铁磁性材料的相对磁导率典型地介于10到1000之间（例如，铁磁性材料的相对磁导率典型地是至少10，可以是至少50、100、500、1000或更大）。随着铁磁性材料的温度升高到居里温度或者相变温度以上，和/或随着所施加的电流增大，铁磁性材料的磁导率显著降低并且集肤深度快速延伸（例如，该集肤深度以磁导率的负二次方根而延伸）。在居里温度、相变温度范围处、附近或以上和/或随着所施加的电流增加，磁导率的降低导致了导体的交流或调制直流电阻减小。当由基本上恒定的电源为限温加热器提供动力时，加热器的接近、达到或处于居里温度和/或相变温度范围以上的部分可具有减少的热耗散。不在居里温度和/或相变温度范围处或附近的限温加热器的部分可由允许加热器由于较高电阻负载而具有高热耗散的集肤效应加热进行支配。

居里温度加热器已经用于焊接设备、医学应用的加热器以及用于烘箱（例如比萨烘箱）的加热元件。这些应用中的一些在下述文献中公开：Lamome等的美国专利US 5,579,575；Henschen等的US5,065,501；Yagnik等的US 5,512,732。Whitney等的US 4,849,611描述了多个离散的、间隔开的加热单元，包括电抗部件、电阻加热部件以及温敏部件。

使用限温加热器来加热地层中烃的益处是：导体被选择为使居里温度和/或相变温度范围处于期望温度操作范围内。在期望的操作温度范围内操作使得大量热量注入到地层中，与此同时使限温加热器以及其他设备的温度保持设计极限温度。设计极限温度是诸如腐蚀、蠕变（creep）和/或变形的性质受到不利影响的温度。限温加热器的限温性质抑制了加热器在地层中的低导热性“热点”附近过热或烧坏。在一些实施例中，限温加热器能够降低或控制热输出和/或承受高于25℃、37℃、100℃、250℃、500℃、700℃、800℃、900℃、或者更高地达到1131℃的温度，这取决于加热器所使用的材料。

与恒定瓦数加热器相比，限温加热器允许将更多热量注入到地层中，这是因为输入到限温加热器中的能量输入不必被限制以适应加热器附近的低导热性区域。例如，在格林河（Green River）油页岩中，最低富油油页岩层和最高富油油页岩层的导热率方面存在至少因子3的不同。当加热这种地层时，与在低导热性层处受温度限制的传统加热器相比，通过限温加热器将明显更多的热量传送到地层。沿着传统加热器的整个长度的热输出需要适应于低导热性层，以使得加热器不会在低导热性层处过热和烧坏。对于限温加热器来说，靠近处于高温下的这些低导热性层的热输出将减少，但是限温加热器的未处于高温下的剩余部分仍旧提供高热输出。因为用于加热烃地层的加热器典型地具有长的长度（例如至少10m、100m、300m、500m、1km或者更高地达到大约10km），限温加热器长度的大部分可在居里温度和/或相变温度范围以下操作，而仅仅一小部分处于限温加热器的居里温度和/或相变温度范围处或附近。

应用限温加热器允许将热量有效地传送到地层。有效的传热使得用于将地层加热到期望温度所需的时间减少。例如，在格林河油页岩中，当使用具有传统恒定瓦数加热器的以12m间隔开的加热器井时，热解典型地需要加热9.5年到10年。对于相同的加热器间隔，限温加热器可允许平均热输出较大，与此同时将加热器设备温度保持在设备设计极限温度以下。与恒定瓦数加热器所提供的较低平均热输出相比，地层中热解可通过由限温加热器提供的较大平均热输出而较早地发生。例如，在格林河油页岩中，可通过使用具有以12m间隔开的加热器井的限温加热器在5年内出现热解。限温加热器抵制了在加热器井太近地聚集在一起的情况下由于不精确的井间隔或者钻探所引起的热点。在某些实施例中，限温加热器允许对于间隔得太远的加热器井随着时间的推移而增大功率输出，或者对于间隔得太近的加热器井限制功率输出。限温加热器还在邻近上覆岩层和下伏岩层的区域中提供更多的动力，以补偿这些区域中的温度损耗。

限温加热器有利地用于许多类型的地层。例如，在包含重质烃的焦油砂地层或者相对渗透性岩层中，限温加热器可用于提供可控制的低温输出，以用于降低流体粘性从而使流体流动，和/或增强流体在井眼处或附近或者地层中的径向流动。限温加热器可用于抑制由于地层的靠近井眼区域的过热而形成过多焦油。

在一些实施例中，使用限温加热器消除或减少了对于昂贵的温度控制线路的需要。例如，使用限温加热器消除或减少了对实现温度测井的需要，和/或对使用安装在加热器上的热电偶以监测热点处的潜在过热的需要。

限温加热器可用于导管中导体式加热器。在导管中导体式加热器的一些实施例中，在导体中产生大部分电阻热量，并且热量通过热辐射、热传导和/或对流传递到导管。在导管中导体式加热器的一些实施例中，在导管中产生大部分电阻热量。

在一些实施例中，相对薄的传导层用于在高达铁磁性导体的居里温度和/或相变温度范围处或附近的温度下提供限温加热器的大部分电阻热输出。这种限温加热器可用作绝缘导体加热器中的加热构件。该绝缘导体加热器的加热构件可位于护套内部，其中绝缘层位于护套与加热构件之间。

绝缘导体可用作加热器或者热源的电加热器元件。绝缘导体可包括由电绝缘体围绕的内部导电体（芯）以及外部导电体（护罩）。电绝缘体可包括矿物绝缘（例如氧化镁）或者其他电绝缘。

在某些实施例中，绝缘导体处于含烃地层中的开口内。在一些实施例中，绝缘导体处于含烃地层中的未加套管的开口中。将绝缘导体布置在含烃地层中的未加套管的开口中可允许热通过辐射和传导而从绝缘导体传递到地层。必要时，使用未加套管的开口可便于从井中取回绝缘导体。

在一些实施例中，绝缘导体布置在地层的套管内；可被水泥固封在地层内；或者可用砂、砾、或者其他填充材料而填塞在开口中。该绝缘导体可被支承在位于开口内的支撑构件上。该支撑构件可以是缆、杆或导管（例如管道）。支撑构件可以由金属、陶瓷、无机材料或者它们的组合制成。因为支撑构件的一些部分在使用期间可暴露于地层流体和热中，该支撑构件可以是耐化学的和/或耐热的。

捆绑、点焊、和/或其他类型的连接可用于沿着绝缘导体的长度在不同位置处将绝缘导体联接到支撑构件。支撑构件可在地层的上部表面处附设到井口。在一些实施例中，绝缘导体具有足够的结构强度，以使得不需要支撑构件。在很多情况下，绝缘导体可具有至少一些柔性，以在经受温度变化时抑制热膨胀损坏。

在某些实施例中，绝缘导体布置在井眼中而没有支撑构件和/或定中心器。没有支撑构件和/或定中心器的绝缘导体可具有耐高温和耐腐蚀性、抗蠕变强度、长度、厚度（直径）以及冶金性的适当组合，这将抑制绝缘导体在使用期间失效。

图2图示了绝缘导体112的一个实施例的末端部分的透视图。绝缘导体112可具有任何期望的横截面形状，例如但并不限于：圆形（图2中所示的）、三角形、椭圆形、矩形、六角形或者不规则形。在某些实施例中，绝缘导体112包括芯114、电绝缘体116和护套118。芯114在电流流过芯时可利用电阻加热。交流电流或时变电流和/或直流电流可用来向芯114提供动力，以使得该芯利用电阻加热。

在一些实施例中，电绝缘体116抑制了电流泄漏和对护套118形成电弧。电绝缘体116可将在芯114中产生的热量热传导到护套118。护套118可将热辐射或传导到地层。在某些实施例中，绝缘导体112为1000m长或者更长。更长或更短的绝缘导体还可用于满足特定应用需要。绝缘导体112的芯114、电绝缘体116和护套118的尺寸可被选择成使得绝缘导体具有足够的强度以便甚至在工作温度上极限时能自我支撑。在不需要支撑构件随同绝缘导体延伸到含烃地层中的情况下，这样的绝缘导体从井口悬挂下来或者布置在上覆岩层与含烃地层之间的界面附近的支撑件悬挂下来。

绝缘导体112可设计为在高达大约1650瓦特/米或者更高的功率水平下工作。在某些实施例中，绝缘导体112在加热地层时在介于大约500瓦特/米与大约1150瓦特/米之间的功率水平下工作。绝缘导体112可被设计成使得在典型的工作温度下的最高电压水平并不导致电绝缘体116的明显热和/或电故障。绝缘导体112可被设计成使得护套118并不超过导致护套材料的耐腐蚀性明显降低的温度。在某些实施例中，绝缘导体112可被设计为达到大约650℃到大约900℃之间的范围内的温度。可形成具有其他工作范围的绝缘导体以满足特定的工作要求。

如图2中所示，绝缘导体112具有单个芯114。在一些实施例中，绝缘导体112具有两个或更多个芯114。例如，单个绝缘导体具有三个芯。芯114可由金属或另一导电材料制成。用于形成芯114的材料可包括但并不限于：镍铬合金、铜、镍、碳钢、不锈钢及它们的组合。在某些实施例中，芯114被选择为具有直径和工作温度下的电阻率，以使得根据欧姆定律其电阻使其对于每米所选定的功率耗散、加热器长度和/或用于芯材料的最大电压来说电稳定且结构稳定。

在一些实施例中，芯114沿着绝缘导体112的长度由不同材料制成。例如，芯114的第一部段可由与芯的第二部段相比具有显著较低电阻的材料制成。第一部段可布置得靠近不需要被加热到与第二部段所靠近的第二地层一样高温度的地层。芯114的不同部段的电阻率可通过具有变化的直径和/或通过具有由不同材料制成的芯部段而进行调整。

电绝缘体116可由各种材料制成。通常使用的粉末可包括但并不限于：氧化镁（MgO）、三氧化二铝（Al₂O₃）、氧化锆、氧化铍（BeO）、尖晶石的不同化学变体以及它们的组合。氧化镁可提供良好的导热性和电绝缘性。所期望的电绝缘性能包括低泄漏电流和高介电强度。低泄露电流降低了热分解的可能性，而高介电强度降低横穿绝缘体形成电弧的可能性。如果泄露电流导致绝缘体温度逐渐上升，同时也导致横穿绝缘体的电弧，则可发生热故障。

护套118可以是外部金属层或者导电层。护套118可与热的地层流体相接触。护套118可由在升高的温度下具有高耐腐蚀的材料制成。可用于护套118的期望工作温度范围中的合金包括但并不限于：304不锈钢、310不锈钢、

800和

600（美国的西弗吉尼亚的Huntington的Inco Alloys International）。护套118的厚度必须足以在热和腐蚀环境中持续三年到十年。护套118的厚度可通常在大约1mm到大约2.5mm之间变化。例如，1.3mm厚度的310不锈钢外部层可用作护套118，以在地层的被加热区域中提供良好的耐硫蚀化学性超过3年时间。较大或较小的护套厚度可用于满足特定的应用要求。

一个或多个绝缘导体可布置在地层中的开口内，以形成一个或多个热源。电流可流过开口中的每一个绝缘导体，以加热该地层。可替代地，电流可流过开口中选定的一些绝缘导体。没有使用的导体可用作备用加热器。绝缘导体可以任何便利的方式电联接到动力源。绝缘导体的每个末端可联接到经过井口的引入电缆（lead-in cables）。这种构造典型地在热源底部附近具有180°弯曲（“发夹”弯曲）或者转弯。包括180°弯曲或转弯的绝缘导体可不需要底部终点，但是180°弯曲或转弯可能是加热器中电和/或结构上的薄弱部。绝缘导体可串联、并联或者以串联与并联相组合的方式电联接到一起。在热源的一些实施例中，电流可流到绝缘导体的导体中，并且可通过在热源的底部处将芯114连接到护套118而穿过绝缘导体的护套（如图2中所示）从而返回。

在一些实施例中，三个绝缘导体112以三相星型结构电联接到动力源。图3图示了地下地层的开口内以星型结构联接的三个绝缘导体的一个实施例。图4图示了三个绝缘导体112从地层的开口120中移出的一个实施例。对于星型结构的三个绝缘导体来说可能并不需要底部连接。可替代地，星型结构的所有三个绝缘导体可以在开口的底部附近连接到一起。该连接可在绝缘导体的加热部分的末端处直接形成，或者在联接到绝缘导体的底部处的加热部分的冷销（cold pin）（较少阻抗部分）的末端处直接形成。该底部连接可通过绝缘体填充密封筒形成，或者通过环氧填充筒形成。该绝缘体可以是与用作电绝缘的绝缘体相同的合成物。

图3和4中图示的三个绝缘导体112可使用定中心器124联接到支撑构件122。可替代地，绝缘导体112可使用金属带直接系到支撑构件122上。定中心器124保持绝缘导体112在支撑构件122上的位置和/或抑制绝缘导体112在支撑构件122上的运动。定中心器124可由金属、陶瓷或它们的组合制成。该金属可以是不锈钢或者任何能够经受住腐蚀和高温环境的其他种类的金属。在一些实施例中，定中心器124是弓形的金属带，该金属带在小于大约6m处焊接到支撑构件上。定中心器124中所使用的陶瓷包括但并不限于：Al₂O₃，MgO或者另一种电绝缘体。定中心器124可保持绝缘导体112在支撑构件122上的位置，以使得在绝缘导体的工作温度下抑制绝缘导体的运动。绝缘导体112还可以是稍微柔性的，以便在加热期间经得住支撑构件122的膨胀。

支撑构件122、绝缘导体112和定中心器124可布置在烃层126中的开口120中。绝缘导体112可使用冷销130联接到底部导体接合部128。底部导体接合部128可将每个绝缘导体112彼此电联接起来。底部导体接合部128可包括导电的且在开口120中出现的温度下并不熔化的材料。冷销130可以是具有比绝缘导体112低的电阻的绝缘导体。

引入导体132可联接到井口134，以将电力提供给绝缘导体112。引入导体132可由相对低的电阻导体制成，以使得由经过引入导体的电流产生相对少的热量。在一些实施例中，引入导体是橡胶或聚合体绝缘的铜绞线。在一些实施例中，引入导体是具有铜芯的矿物质绝缘导体。引入导体132通过位于上覆岩层138与地面136之间的密封法兰而在地面136处联接到井口134。密封法兰可防止流体从开口120逸出到地面136。

在某些实施例中，引入导体132使用过渡导体140而联接到绝缘导体112。过渡导体140可以是绝缘导体112的电阻较小的部分。过渡导体140可称为绝缘导体112的“冷销”。如绝缘导体112的主要加热部分的单位长度中所消耗的，过渡导体140可被设计用于消耗每单位长度能量的大约十分之一到大约五分之一。过渡导体140可典型地处于大约1.5m到大约15m之间，尽管较短或较长的长度可用来适应特定应用需要。在一个实施例中，过渡导体140的导体是铜的。过渡导体140的电绝缘体可以是与主要加热部分中所使用的电绝缘体相同类型的。过渡导体140的护套可由耐腐蚀材料制成。

在某些实施例中，过渡导体140通过叠接或其他联接接头而联接到引入导体132。叠接还可用于将过渡导体140联接到绝缘导体112。叠接必须经受得住等于目标区域工作温度一半的温度。叠接中的电绝缘密度在一些情况下应该足够高，以便经得住所期望的温度和工作电压。

在一些实施例中，如图3中所示，填充材料142可布置在上覆岩层套管144与开口120之间。在一些实施例中，加强材料146可将上覆岩层套管144固定到上覆岩层138。填充材料142可抑制流体从开口120流到地面136。加强材料146可包括，例如，为了改善高温性而与石英粉混合的G级或H级的波特兰水泥、矿渣或石英粉和/或它们的混合物。在一些实施例中，加强材料146径向延伸从大约5cm到大约25cm的宽度。

如图3和4中所示，支撑构件122和引入导体132可在地层的地面136处联接到井口134。地表导体148可包封加强材料146并且联接到井口134。地表导体的一些实施例可延伸到地层的开口内大约3米到大约515米的深度。可替代地，地表导体可延伸到地层中大约9米的深度。电流可由动力源供给到绝缘导体112，以由于绝缘导体的电阻而产生热量。由三个绝缘导体112产生的热量可在开口120内传送，以加热烃层126的至少一部分。

由绝缘导体112产生的热量可加热含烃地层的至少一部分。在一些实施例中，主要通过将所产生的热量辐射到地层而将热量传送到地层。一些热量可通过由于在开口中存在气体而通过热传导或者热对流而进行传送。该开口可以是如图3和图4中所示的未加套管的开口。未加套管的开口消除了与将加热器热水泥固封到地层相关的成本，与套管相关的成本和/或将加热器塞装在开口内的成本。此外，辐射传热典型地比传导更加有效，所以加热器在开口未加套管的井眼中可在较低温度下工作。传导传热在热源的初始运转期间可通过增加开口中的气体而增强。气体可保持在高达大约27bar的绝对压力下。气体可包括但并不限于：二氧化碳和/或氦。未加套管的井眼中的绝缘导体加热器可有利地自由膨胀或收缩，以适应热膨胀或热收缩。绝缘导体加热器可有利地从未加套管的井眼中移出或重新配置。

在某些实施例中，绝缘导体加热器组件使用线轴组件而被安装或移出。一个以上的线轴组件可用于同时安装绝缘导体和支撑构件。可替代地，支撑构件可使用盘管单元（coiled tubing unit）进行安装。该加热器可以是非线轴的，并且随着支撑件插入到该井时而被连接到该支撑件。电加热器和支撑构件可以是不同于线轴组件的非线轴的。隔离器可联接到支撑构件并且可沿着支撑构件的长度联接到加热器。附加的线轴组件也可用作附加的电加热器元件。

图5A和5B示出了绝缘导体加热器的实施例的剖视图，该加热器具有作为加热器的限温加热器。绝缘导体112包括芯114、铁磁性导体150、内部导体152、电绝缘体116和护套118。芯114是铜芯。铁磁性导体150例如为铁或铁合金。

内部导体152是非铁磁性材料的相对薄的导电层，具有比铁磁性导体150高的导电性。在某些实施例中，内部导体152是铜。内部导体152可以是铜合金。铜合金典型地与纯铜比具有更平坦的电阻与温度分布图。根据高达居里温度和/或相变温度范围，较平坦的电阻与温度分布图可提供偏差较少的热输出。在一些实施例中，内部导体152是具有重量百分比为6%的镍的铜（例如CuNi₆或LOHM^TM）。在一些实施例中，内部导体152是CuNi₁₀Fe₁Mn合金。铁磁性导体150低于居里温度和/或相变温度范围，铁磁性导体的铁磁性性能限制了流向内部导体152的大部分电流流动。因而，内部导体152在居里温度和/或相变温度范围之下提供了绝缘导体112的大部分电阻热输出。

在某些实施例中，内部导体152随着芯114和铁磁性导体150而设定尺寸，以便内部导体提供期望量的热输出以及期望的调节比。例如，内部导体152可具有比芯114的横截面积小大约2或3倍的横截面面积。典型地，如果内部导体是铜或者铜合金，则内部导体152不得不具有相对小的横截面面积，以提供期望的热输出。在具有铜内部导体152的一个实施例中，芯114具有0.66厘米的直径，铁磁性导体150具有0.91厘米的外直径，内部导体152具有1.03厘米的外直径，电绝缘体116具有1.53厘米的外直径，以及护套118具有1.79厘米的外直径。在具有CuNi₆内部导体152的一个实施例中，芯114具有0.66厘米的直径、铁磁性导体150具有0.91厘米的外直径，内部导体152具有1.12厘米的外直径，电绝缘体116具有1.63厘米的外直径以及护套118具有1.88厘米的外直径。与并不使用用于在低于居里温度和/或相变温度范围下提供大部分热输出的较薄内部导体的绝缘导体相比，这些绝缘导体典型地较小和制造便宜。

电绝缘体116可以是氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化铍、氮化硼、四氮化三硅或它们的组合。在某些实施例中，电绝缘体116是氧化镁的压实粉末。在某些实施例中，电绝缘体116包括四氮化三硅珠。

在某些实施例中，很小的材料层布置在电绝缘体116与内部导体152之间，以抑制铜在高温下迁移到电绝缘体中。例如，很小的镍层（例如，大约0.5mm的镍）可布置在电绝缘体116与内部导体152之间。

护套118由耐腐蚀材料制成，例如但并不限于：347不锈钢、347H不锈钢、446不锈钢或825不锈钢。在一些实施例中，护套118在铁磁性导体150的居里温度和/或相变温度范围处或以上为绝缘导体112提供一些机械强度。在某些实施例中，护套118并不用于传导电流。

对于长的竖立限温加热器（例如，至少300m长、至少500m长或至少1千米长的加热器），下垂应力在选择用于限温加热器的材料方面变得重要。在没有合理选择材料的情况下，支撑构件不可能具有足够的机械强度（例如蠕变断裂强度）以在加热器的工作温度下支撑限温加热器的重量。

在某些实施例中，用于支撑构件的材料被改变以增加在限温加热器的工作温度下最大的容许悬挂应力，从而增加限温加热器的最大工作温度。改变支撑构件的材料影响在居里温度和/或相变温度范围之下的限温加热器的热输出，这是因为材料的变化改变了支撑构件的电阻与温度分布图。在某些实施例中，支撑构件沿着加热器的长度由超过一种材料制成，以使得该限温加热器尽可能保持期望的工作性能（例如，居里温度和/或相变温度范围之下的电阻与温度分布图），与此同时提供足够的机械性能以支撑该加热器。在某些实施例中，过渡部段用于加热器各部段之间，以提供补偿加热器各部段之间的温度差的强度。在某些实施例中，限温加热器的一个或多个部分具有变化的外直径和/或材料，以便为加热器提供期望的性能。

在限温加热器的某些实施例中，三个限温加热器以三相星型结构联接在一起。以三相星型结构将三个限温加热器联接到一起降低了不可分开的限温加热器中的每一个中的电流，这是因为在三个不可分开的加热器之间对电流进行分流。在每个不可分开的限温加热器中的电流允许每个加热器具有小直径。较低的电流允许每个不可分开的限温加热器中的相对导磁率较高，进而调节比较高。此外，对于每个不可分开的限温加热器并不需要返回电流路径。因而，对于每个不可分开的限温加热器来说，与每个限温加热器具有自己的返回电流路径的情况相比，调节比保持较高。

在三相星型结构中，不可分开的限温加热器在它们的终端（例如加热器井眼底部处的加热器端部）处可通过将每个不可分开的限温加热器的外罩、护套或筒缩短而一起联接到导电部段（提供热量的导体）。在一些实施例中，外罩、护套、筒和/或导电部分可联接到在井眼中支撑限温加热器的支撑构件。

在某些实施例中，将多个加热器（例如矿物绝缘导体加热器）联接到单个电源（诸如变压器）是有利的。与对于每个加热器使用单独的变压器相比，将多个加热器联接到一个变压器可导致使用较少的变压器为用于处理区域的加热器提供动力。使用较少的变压器减小地面堆积，并且允许更容易触及到加热器和地面部件。使用较少的变压器降低了与将动力提供给处理区域相关的投资成本。在一些实施例中，至少4个、至少5个、至少10个、至少25个、至少35个、或至少45个加热器由单个变压器提供动力。此外，从单个变压器为多个加热器（不同加热器井中）提供动力可降低上覆岩层损耗，这是因为每个由单个变压器提供动力的加热器井之间的电压差和/或相差减小。从单个变压器为多个加热器提供动力可抑制加热器之间的电流不平衡，这是因为这些加热器联接到单个变压器。

为了使用单个变压器给多个加热器提供动力，该变压器可能不得不以较高电压提供动力，以便将电流有效地传送给每个加热器。在某些实施例中，这些加热器是地层中的浮动式（未接地）加热器。使这些加热器浮动使得加热器在高电压下工作。在一些实施例中，变压器提供了至少大约3千伏、至少大约4千伏、至少大约5千伏或至少大约6千伏的功率输出。

图6示出了加热器154的俯视图，三个绝缘导体112位于导管156中。加热器154可位于地下地层中的加热器井中。导管156可以是外罩、护套或者其他围绕绝缘导体112的壳。每个绝缘导体112包括芯114、电绝缘体116和护套118。绝缘导体112可以是矿物绝缘导体，其中芯114为铜合金（例如，铜镍合金，诸如合金180），电绝缘体116是氧化镁，护套118是

825（美国的Inco Alloys International的注册商标）、铜或者不锈钢（例如，347H不锈钢）。在一些实施例中，护套118包括不工作的可硬化金属，以使得护套是可退火的。

在一些实施例中，芯114和/或护套118包括铁磁性材料。在一些实施例中，一个或多个绝缘导体112是限温加热器。在某些实施例中，绝缘导体112的上覆岩层部段在芯114中包括高导电材料，（例如，纯铜或铜合金，诸如在焊接接头处具有3%硅的铜），以使得绝缘导体的上覆岩层部段提供很少热输出或者不提供热输出。在某些实施例中，导管156包括不锈材料和/或高强度材料（诸如不锈钢）。在一个实施例中，导管156是347H不锈钢。

绝缘导体112以三相结构（例如三相星型结构）联接到单个变压器。每个绝缘导体112可联接到该单个变压器的一个相。在某些实施例中，单个变压器还联接到地层中其他加热器井中的多个相同加热器154（例如，该单个变压器可联接到地层中40个或更多个加热器）。在一些实施例中，单个变压器联接到地层中至少4、至少5、至少10、至少15或者至少25个另外的加热器。

电绝缘体116′可位于导管156内部，以从该导管对绝缘导体112进行电绝缘。在某些实施例中，电绝缘体116′是氧化镁（例如，压实的氧化镁）。在一些实施例中，电绝缘体116′是四氮化三硅（例如四氮化三硅块）。电绝缘体116′从导管156对绝缘导体112进行电绝缘，以使得在高工作电压（例如，3kV或者更高）下，导体与导管之间并不存在电弧。在一些实施例中，导管156内部的电绝缘体116′至少具有电绝缘体116在绝缘导体112中的厚度。加热器154中增加的绝缘厚度（来自电绝缘体116和/或电绝缘体116′）抑制并且可防止电流从加热器泄漏到地层中。在一些实施例中，电绝缘体116′在空间上将绝缘导体112定位在导管156内部。

图7示出了联接到多个加热器154的三相星型变压器158的一个实施例。在附图中为了简单起见，图7中示出了仅仅四个加热器154。应理解的是，若干个更多的加热器可联接到变压器158。如图7中所示，每个加热器的每个腿（每个绝缘导体）联接到变压器158的一个相，而电流返回到变压器的中线腿或者接地腿（例如通过图6和8中所示的导体160）。

返回导体160可电联接到绝缘导体112的末端（如图8中所示）。电流从绝缘导体的末端返回到地层的地面上的变压器。返回导体160可包括高导电性材料，诸如纯铜、镍、铜合金或它们的组合，以使得返回导体提供很少的热输出或者不提供热输出。在一些实施例中，返回导体160是管状物（例如，不锈钢管状物），这允许光学纤维布置在管状物内部以用于进行温度测量和/或其他测量。在一些实施例中，返回导体160是小的绝缘导体（例如，小的矿物质绝缘导体）。返回导体160可联接到三相星型结构的变压器的中线腿或接地腿。因而，绝缘导体112与导管156和地层电绝缘。使用返回导体160将电流返回到地面可更容易地将加热器联接到井口。在一些实施例中，如图6中所示，使用一个或多个护套118来使电流返回。一个或多个护套118可在加热器的末端处联接到芯114，并且将电流返回到三相星型变压器的中线。

图8图示了导管156中的三个绝缘导体112的末端部段的侧视图。末端部段是加热器的离地层的地面最远（远侧）的部段。末端部段包括联接到导管156的接触器部段162。在一些实施例中，接触器部段162焊接或铜焊到导管156。终端164位于接触器部段162中。终端164电联接到绝缘导体112和返回导体160。终端164在加热器的末端处将绝缘导体112的芯电联接到返回导体160。

在某些实施例中，图6和8所示的加热器154包括使用铜作为绝缘导体的芯上覆岩层部段。上覆岩层部段中的铜可以有与在加热器的加热部段中使用的芯相同的直径。上覆岩层部段中的铜可具有比加热器的加热部段中的芯大的直径。使上覆岩层部段中铜的尺寸增加可降低加热器的上覆岩层部段中的损耗。

包括位于导管156中的三个绝缘导体112的加热器（如图6和8中所示）可以多步骤工艺（multiple step process）来制造。在一些实施例中，在地层或者处理区的位置处进行多步骤工艺。在一些实施例中，在远离地层的远程制造位置处进行多步骤工艺。然后，所完成的加热器被传送到处理区。

绝缘导体112可在捆绑之前就地进行预组装或在远位置处进行预组装。绝缘导体112和返回导体160可布置在线轴上。机器可从线轴以选定的速率牵拉绝缘导体112和返回导体160。绝缘材料的预成型块可定位在返回导体160和绝缘导体112周围。在一个实施例中，两个块定位在返回导体160周围而三个块定位在绝缘导体112周围，以形成电绝缘体116′。这些绝缘导体和返回导体可被牵拉或推进到导管材料板中，该导管材料板已经被轧制成管状。板的边缘可被挤压到一起并且被焊接起来（例如，通过激光焊接）。在电绝缘体116′、绝缘导体112捆和返回导体160周围形成导管156之后，该导管可被压实以抵靠电绝缘体160，以使得加热器的所有部件被按压到一起形成压实、紧密的配合形式。在压实期间，电绝缘体可流动并且填充加热器内部的任何间隙。

在一些实施例中，加热器154（例如包括在电绝缘体116′、绝缘导体112捆以及返回导体160周围的导管156）被插入到盘管管状物中，该盘管管状物布置在地层中的井眼内。盘管管状物可保留在地层中的适当位置（在地层加热期间保留在地层中），或者在安装好加热器之后从地层中移出。盘管管状物可允许加热器154更容易安装到井眼中。

在一些实施例中，加热器154的一个或多个部件发生改变（例如移出、移动或替换），而加热器的操作保持基本相同。图9示出了具有位于导管156中的三个绝缘芯114的加热器154的一个实施例。在该实施例中，电绝缘体116′在导管156中围绕芯114和返回导体160。芯114位于导管156中，而没有电绝缘体和护套围绕这些芯。芯114联接到呈三相星型结构的单个变压器，其中每个芯114联接到变压器的一个相。返回导体160电联接到芯114的末端处，并且从芯的末端将电流返回到地层地面上的变压器。

图10示出了在导管156中具有三个绝缘导体112和绝缘返回导体的加热器154的一个实施例。在该实施例中，返回导体160是具有芯114、电绝缘体116和护套118的绝缘导体。返回导体160和绝缘导体112位于导管156中且被电绝缘体116′围绕。返回导体160和绝缘导体112可具有相同的尺寸或者不同的尺寸。返回导体160和绝缘导体112与在图6和8中所示的实施例中基本上相同地工作。

在一些实施例中，三个绝缘导体加热器（例如矿物绝缘加热器）联接到一起而形成单个组件。该单个组件可构造有很长的长度，并且可在高电压（例如，4000V标准电压）下工作。在一些实施例中，不可分开的绝缘导体加热器可封装在耐腐蚀护套中，以抵抗来自外部环境的损坏。这些护套可以例如是类似于在MC/CWCMC型电缆上所使用的缝焊不锈钢护具。

在一些实施例中，三个绝缘导体加热器以本领域已知的惯用方法设置电缆和添加绝缘填充物。绝缘导体加热器可包括一个或多个加热器部段，该一个或多个加热器部段耐热并且将热量提供给靠近加热器部段的地层。绝缘导体可包括一个或多个其他部分，该一个或多个其他部段将电提供给加热器部分而具有较小的热损失。不可分开的绝缘导体加热器可在被布置在卷起卷轴（例如，盘管钻机）上之前用高温纤维带包裹。卷轴组件可被移动到用于施加外部金属护套或者外部保护导管的另一个机器。

在一些实施例中，填充物包括玻璃、陶瓷或者其他经得住760℃或者更高的工作温度的耐热纤维。另外，绝缘导体电缆可包裹在陶瓷纤维织物带材料的多层中。通过在施加外部金属护套之前将带包裹在设有电缆的绝缘导体加热器周围，在绝缘导体加热器与外部护套之间提供电绝缘。该电绝缘抑制了电流从绝缘导体加热器泄露而流到地下地层中，并且迫使任何泄露电流直接返回到各绝缘导体护套上的动力源和/或联接到绝缘导体的引入导体或引出导体上的动力源。当绝缘导体布置到具有外部金属护套的组件中时，引入导体或引出导体可联接到绝缘导体。

在某些实施例中，绝缘导体加热器可用金属带或者其他类型的带包裹，而不是用高温陶瓷纤维织物带材料包裹。金属带将绝缘导体加热器保持在一起。宽间隔的宽节距螺旋缠绕的高温纤维绳可被缠绕在绝缘导体加热器周围。纤维绳可提供绝缘导体与外部护套之间的电绝缘。可在组装期间在任何阶段添加纤维绳。例如，当增加外部护套时可添加纤维绳以作为最终组件的一部分。应用纤维绳可比其他电绝缘方法更加简单，这是因为应用纤维绳是通过仅仅单层绳而不是多层陶瓷带来实现的。纤维绳可以比多层陶瓷带更加廉价。纤维绳可增加绝缘导体与外部护套之间的热传递，和/或对于用于在绝缘导体周围焊接（例如有缝焊接）外部护套的任何焊接工艺减小干扰。

典型的温度测量方法对于实现估定位于地下地层中以用于在就地热处理过程中进行加热的加热器的温度分布图来说可能很难和/或很贵。期望温度分布图包括沿着地下地层中的加热器的长度或加热器的一部分的多个温度。热电偶是一种可能的方案；然而，热电偶仅仅在一个场所提供一个温度，而且每个热电偶通常需要两根电线。因而，为了获得沿着加热器长度的温度分布图，需要多对电线。一个或多个热电偶（或它们的相关电线）的失效风险随着在地下井眼中使用多根电线而增大。另外，安装在高温应用场合中（大于300℃）的热电偶可能经受称为温度测量漂移的现象。温度测量漂移可能是重要的误差来源。

另一个可能的方案是使用光纤电缆温度传感器系统。该光纤电缆系统提供了沿着加热器长度的温度分布图。然而，商业上可获得的光纤电缆系统典型地仅仅具有高达大约300℃的工作温度范围，并且由于纤维和/或纤维涂层的软化（导致不同材料彼此粘合）而易于机械损伤。因而，在就地热处理过程期间加热地下地层时，这些系统并不适于测量所遇到的较高温度。一些实验性的光纤电缆系统适于在这些较高温度下使用，但是这些系统在商业化工艺（例如大的加热器领域中）中实施起来太昂贵。因而，需要一种简单、廉价的系统，该系统能够沿着用于就地热处理过程中的地下加热器的长度而在一个或多个位置处进行温度估定，而并不使用附加的电缆组。

电流方法能够沿着绝缘体的一部分测量绝缘体的介电特性（测量沿着绝缘体的长度分布的介电特性）。基于这种类型的绝缘体和测量系统的能力，这些方法提供了介电特性与空间分辨率（resolution）（测量尺寸之间的间距）的分布图。这些方法当前用于估定介电特性以及监测绝缘裂纹和/或绝缘损坏。电流方法的实例是轴向层析成像和线性共振分析。轴向层析成像的方案（Mashikian Axial Tomography）由Instrument Manufacturing Company（IMCORP）（Storrs，Connecticut，U.S.A.）提供。Mashikian Axial Tomography在Mashikian的美国专利申请公开US 2008-0048668中公开。线性共振分析的方案（LIRA）由Wirescan AS（Halden，Norway）提供。Wirescan AS LIRA在Fantoni的国际专利公开WO 2007/040406中公开。

介电特性的估定（使用电流方法或者这些方法的改进方案）可与介电特性的与温度相关性相关的信息结合使用，以估定一个或多个被提供电力的加热器的温度分布图（被提供动力的加热器而且所述加热器提供热量）。介电特性的温度相关性数据可从模拟和/或实验中找到。可随着时间进行估定的绝缘体的介电特性的实例包括但并不限于：介电常数和损耗角正切。图11示出了在绝缘导体加热器的一个实施例中氧化镁绝缘体的介电常数与温度的图表的一个实例。图12示出了在绝缘导体加热器的一个实施例中氧化镁绝缘体的在60hz下测量的损耗角正切（tanδ）与温度的图表的一个实例。

需要注意的是，介电特性的与温度相关的性能可基于某些因素而改变。可影响介电特性的与温度相关的性能的因素可包括但并不限于：绝缘体类型、绝缘体尺寸、绝缘体暴露于环境（例如来自加热器的热量）的时间，绝缘体的成分（化学过程），湿气含量以及绝缘体的压实性。因而，对于用于选定加热器的绝缘体的实施例，通常必需测量介电特性的与温度相关的性能（或者通过模拟或者通过实验）。

在某些实施例中，具有电绝缘体的加热器中的绝缘体的一个或多个介电特性可被估定（测量）并且与介电特性的温度相关性数据进行比较，以估定（确定）沿着加热器长度（例如，沿加热器的整个长度或者加热器的一部分）的温度分布图。例如，绝缘导体加热器（诸如矿物质绝缘（MI）电缆加热器）的温度可根据用于加热器中的绝缘体的介电特性进行估定。在图5A、5B和6中示出了绝缘导体加热器的实例。由于通过模拟和/或试验获知或估算出所测量的介电特性的温度相关性，在加热器的位置处所测量的介电特性可用来估定该位置处的加热器温度。使用在沿着加热器长度（正如利用电流方法是可能的）的多个位置处测量介电特性的方法，可提供沿着该加热器长度的温度分布图。

在一些实施例中，如图11和12中的图表所示出的，介电特性在较高温度下（例如如图11和12所示的大约900℉以上）对温度更加敏感。因而，在一些实施例中，绝缘导体加热器的一部分的温度通过在大约400℃（大约760℉）之上的温度下测量介电特性而进行估定。例如，该部分的温度可通过在从大约400℃、大约450℃、或大约500℃到大约800℃、大约850℃或者大约900℃的范围内的温度下测量介电特性而进行估定。这些温度范围高于使用商业上可获得的光纤电缆系统可测量的温度。但是，与通过介电特性测量进行估定的温度相比，适于在较高温度范围中使用的光纤电缆系统可提供具有较高的空间分辨率的测量。因而，在一些实施例中，可在高温范围中工作的光纤电缆系统可用于通过测量介电特性而校准温度估定。

在低于这些温度范围的温度下（例如低于大约400℃），通过测量介电特性而进行的温度估定可能不太精确。然而，通过测量介电特性而进行的温度估定可提供加热器的各部分的合理估算或者“平均”温度。平均温度估定可用于估定加热器是否在低于大约500℃、低于大约450℃或者低于大约400℃的温度下工作。

通过测量介电特性而进行的温度估定可提供沿着绝缘导体加热器的长度或者绝缘导体加热器的一部分的温度分布图（沿着加热器的长度或加热器的一部分分布的温度测量）。与仅仅在选定位置处进行温度测量（诸如利用热电偶进行温度测量）相比，测量温度分布图对于监测和控制该加热器是更加有用的。多个热电偶可用来提供温度分布图。但是，将需要多根电线（每个热电阻一根）。通过测量介电特性而进行的温度估定使用仅仅一根电线以用于测量温度分布图，这与使用多个热电偶相比更简单且更廉价。在一些实施例中，布置在选定区域处的一个或多个热电偶用于校准通过测量介电特性而进行的温度估定。

在某些实施例中，绝缘导体加热器中的绝缘体的介电特性在一段时间内被估定（测量），以估定加热器在一段时间内的温度和工作特性。例如，介电特性可被连续地（或者基本上连续地）估定，以提供介质性质和温度的实时监控。介电特性和温度的监测可用于估定加热器在加热器工作期间的状态。例如，将在特定位置处估定的性质与在加热器的整个长度上的平均性质进行比较可提供加热器的热点位置或缺陷位置上的信息。

在一些实施例中，绝缘体的介电特性随时间而改变。例如，介电特性可随时间而改变是因为绝缘体中的氧浓度随时间改变和/或绝缘体中的水含量随时间而改变。绝缘体中的氧可由用于绝缘导体加热器中的铬或其他金属而被消耗。因而，在绝缘体中，氧浓度随着时间而降低，影响了绝缘体的介电特性。

介电特性随时间的改变可通过实验和/或模拟数据进行测量和弥补。例如，将被用于温度估定的绝缘导体加热器可在烘箱或者其他设备中被加热，并且可在不同温度下和/或恒定温度下、随时间推移测量介电特性的改变。此外，通过将热电偶数据与由介电特性所估定的温度相比较，热电偶可用来校准对随时间的推移介电特性变化的估定。

在某些实施例中，通过测量介电特性而进行的温度估定使用计算系统来实现，该计算系统例如为工作站或计算机。该计算系统可接收沿着加热器的介电特性的测量（估定）并且将所测量的介电特性相关联，以估定加热器上的一个或更多个位置处的温度。例如，计算系统可存储关于介电特性与温度和/或时间之间关系的数据（诸如图11和12中所示的数据），并且基于所测量的介电特性使用该存储数据来计算加热器上的温度。

在某些实施例中，通过介电特性测量而进行的温度估定在已被提供电力的用于向地下地层提供热量的加热器上进行（例如，为绝缘导体加热器的至少一部分供给电力以便耐热，以及从绝缘导体的该部分向地下地层提供至少一些热量）。估定已被提供电力的加热器上的温度允许检查实际上向地层提供热量的装置的绝缘体中的缺陷。但是，估定已被提供电力的加热器上的温度由于沿着加热器的信号衰减而更加困难，这是因为加热器是耐热的。该衰减可抑制沿着加热器长度更远地观测（沿着加热器更深入到地层中）。在一些实施例中，加热器的上部部段（靠近上覆岩层的加热器部段，例如加热器的上部一半或者上部三分之一）中的温度可能对于估定更加重要，这是因为这些部段具有施加到加热器的较高电压、处于较高温度下以及处于失效或产生热点的较高风险下。由介电特性测量而进行的温度估定方面的信号衰减可能并不作为上部部段中的重要因素，这是因为这些部段靠近地面。

在一些实施例中，向绝缘导体加热器提供的动力在进行温度估定之前被关闭。然后，在温度估定之后使动力返回到绝缘导体加热器。因而，绝缘导体加热器经历加热开/关循环，以估定温度。但是，这种开/关循环可能由于热周期性变化而缩短加热器的寿命。此外，该加热器可在未被提供电力时期被冷却下来，并且提供不太精确的温度信息（关于加热器的实际工作温度的不太精确的信息）。

在某些实施例中，通过介电特性测量而进行的温度估定在并不用于加热或者并不构造用于加热的绝缘导体上进行。这种绝缘导体可以是单独的绝缘导体温度探针。在一些实施例中，绝缘导体温度探针是未被提供电力的加热器（例如，未被提供动力的绝缘导体加热器）。该绝缘导体温度探针可以是可位于地下地层中的开口内以便测量开口内的温度的独立装置。在一些实施例中，绝缘导体温度探针是离开开口且再返回开口的环状探针，其中信号在探针一个方向上传送。在一些实施例中，绝缘导体温度探针是单个悬挂式探针，其中信号沿着芯传送并且沿着绝缘导体的护罩返回。

在某些实施例中，绝缘导体温度探针包括铜芯（以向电缆的末端提供更好的导电性以及提供更好的空间分辨率），该铜芯由氧化镁绝缘体和外部金属护套围绕。外部金属护套可由任何适合用于地下开口中的材料制成。例如，外部金属护套可以是不锈钢护套，或者是用不锈钢外部护套包裹的铜内部护套。典型地，绝缘导体温度探针在高达可由外部金属护套经得住的温度和压力下工作。

在一些实施例中，绝缘导体温度探针位于靠近或邻近开口中的已被提供电力的加热器，以沿着已被提供电力的加热器而测量温度。绝缘导体温度探针与已被提供电力的加热器之间存在温度差（例如大约50℃到100℃之间的温度差）。该温度差可通过实验和/或模拟而被估定，以及在温度测量中得到解决。该温度差还可以使用附设到已被提供电力的加热器上的一个或多个热电偶而被校准。

在一些实施例中，一个或多个热电偶附设于用于温度估定的绝缘导体（或者已被提供电力的绝缘导体加热器或者未被提供电力的绝缘导体温度探针）。所附设的热电偶可通过介电特性测量而用来校准和/或备份在绝缘导体上所估定的温度测量。在一些实施例中，校准和/或备份温度指示值是通过在给定的施加电压下估定绝缘导体的芯的电阻变化来实现的。温度可通过知晓在给定的电压下芯材料的电阻与温度的分布图而进行估定。在一些实施例中，绝缘导体是一个回路，并且由来自地下开口中的已被提供电力的加热器在回路中引起的电流提供了用于电阻测量的输入。

在某些实施例中，绝缘导体中的绝缘材料性质被改变以提供对于绝缘导体来说对温度的不同灵敏性。可被改变的绝缘材料性质的实例包括但并不限于：绝缘材料的化学和相组成、微观结构和/或混合。改变绝缘导体中的绝缘材料性质使得绝缘导体被调整到所选定的温度范围。所选定的温度范围可例如选择用于绝缘导体的期望应用。

在一些实施例中，绝缘材料性质沿着绝缘导体的长度而变化（绝缘材料性质在绝缘导体内部的选定点处是不同的）。改变沿着绝缘导体长度的已知位置处的绝缘材料的性质允许测量介电特性以便在提供了温度估定之外给出位置信息和/或提供绝缘导体的自动校准。在一些实施例中，绝缘导体包括具有绝缘材料性质的部分，该绝缘材料性质使得该部分用作反射体。反射体部分可用于将温度估定限制到绝缘导体的特定部分（例如，绝缘导体的特定长度）。一个或多个反射体部分可用来沿着绝缘导体的长度提供空间标记。

改变绝缘材料性质调整了绝缘材料的激活能量。典型地，增加绝缘材料的激活能量削弱了绝缘材料中的衰减并且提供了更高的空间分辨率。降低激活能量典型地提供了更好的温度灵敏性。激活能量可例如通过将不同的成分添加到绝缘材料中而升高或降低。例如，将某些成分添加到氧化镁绝缘体将降低激活能量。可添加到氧化镁中以降低激活能量的成分的实例包括但并不限于：二氧化钛、氧化镍和氧化铁。

在一些实施例中，使用两个或更多个绝缘导体来估定温度。绝缘导体中的绝缘材料可具有不同的激活能量，以提供空间分辨率和温度灵敏度方面的变化，从而更精确地估定地下开口中的温度。具有较高激活能量的绝缘导体可用于提供较高的空间分辨率，以及更加精确地识别热点的位置或者其他温度变化，而具有较低激活能量的绝缘导体可用来提供在那些位置处的更加准确的温度测量。

在一些实施例中，通过估定绝缘导体的泄露电流而估定温度。泄露电流的温度相关性数据可用于基于对绝缘导体的泄露电流的估定（测量）来估定温度。所测量的泄露电流可以与关于泄露电流的温度相关性的信息相结合，以估定位于地下开口中的一个或多个加热器或加热导体的温度分布图。漏泄电流的温度相关性数据可通过模拟和/或实验获得。在某些实施例中，泄露电流的温度相关性数据还与施加给加热器的电压相关。

图13图示了在绝缘导体加热器的一个实施例中、在所施加的60Hz的不同电压下氧化镁绝缘体的漏泄电流（mA）与温度（℉）的关系图的一个实例。图表166用于所施加的4300v电压，图表168用于所施加的3600V电压，图表170用于所施加的2800V电压，图表172用于所施加的2100V电压。

如图13中的图表所示，泄露电流在较高温度下（例如高于大约482℃（大约900℉））对于温度更加敏感。因而，在一些实施例中，通过在高于大约500℃（大约932℉）或者在从大约500℃到大约870℃范围内、在从大约510℃到大约810℃范围内，或者在从大约540℃到大约650℃范围内的温度下测量泄露电流而来估定一部分绝缘导体加热器的温度。

通过使用本领域已知的方法沿着加热器长度测量泄露电流可获得沿着加热器长度的温度分布图。在一些实施例中，通过测量泄露电流而进行的温度估定与通过介电特性测量而进行的温度估定组合使用。例如，通过测量泄露电流而进行的温度估定可用于校准和/或备份通过测量介电特性而进行的温度估定。

应理解的是，本发明并不限于所描述的特定系统，其当然可以变化。还应理解的是，在此使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，而并不用于进行限制。除非上下文明确指出，如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“该”包括复数个对象。因而，例如所指出的“一个芯”包括两个或更多个芯的组合，而所指出的“一种材料”包括材料的混合物。

鉴于本描述，本发明的各个方面的进一步变型和可替代实施例对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本描述应被解释为仅仅是说明性的，并且用于教导本领域技术人员实施本发明的常规方式。应理解的是，在此所述和所示出的本发明的形式可被看作是当前优选的实施例。元件和材料可以替代在此所图示和描述的元件和材料，部件和过程可被逆向，本发明的某些特征可独立使用，全部这些对于本领域技术人员而言在得益于本发明的描述之后是显而易见的。在没有脱离下面权利要求书所述的本发明的精神和范围的情况下，在此所描述的元件可进行改变。

Claims (11)

1.一种用于估定地下地层中开口内的温度的方法，所述方法包括：

沿着位于开口中的绝缘导体的一部段估定一个或多个介电特性关于空间分辨率的分布图；以及

基于所估定的一个或多个介电特性关于空间分辨率的分布图而沿着绝缘导体的所述部段估定温度分布图。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将电力提供给绝缘导体的至少一部分，以及从绝缘导体的所述至少一部分将至少一些热量提供给地下地层。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将电力提供给位于开口中的至少一个附加的绝缘导体，以及从所述附加的绝缘导体将至少一些热量提供给地下地层。

4.如权利要求1所述的方法，其中，估定温度分布图包括将介电特性的温度相关性数据与所估定的一个或多个介电特性的分布图进行比较。

5.如权利要求1所述的方法，其中，介电特性中的至少一个包括介电常数。

6.如权利要求1所述的方法，其中介电特性中的至少一个包括损耗角正切。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所估定的温度分布图的至少一部分处于大约400℃以上。

8.如权利要求1所述的方法，其中所估定的温度分布图的至少一部分处于大约400℃至大约900℃之间的范围内。

9.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括使用计算系统估定所述温度分布图，所述计算系统构造为存储介电特性的温度相关性数据。

10.如权利要求1所述的方法，其中，被估定的绝缘导体的部段至多包括所述绝缘导体的上半部。

11.如权利要求1所述的方法，其中，所述绝缘导体包括芯、围绕所述芯的绝缘材料和围绕所述绝缘材料的外护套。

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